(57)【要約】（課題）簡単な構成で、安定した冷却温度を実現できる蓄冷式冷凍機を提供する。（解決手段）冷媒ガスの圧縮、膨張を繰り返して、冷却ステージ３２を極低温に冷却する蓄冷式冷凍機であって、冷却ステージ３２に厚さが０．１ｍｍ〜１ｍｍのＦＲＰ製の薄板６１を取り付ける。この厚さのＦＲＰ薄板６１が、冷却ステージ３２の温度振動を抑制する。ＦＲＰ薄板６１の厚さが１ｍｍを超えると、熱伝達損失が大きくなり、冷却効果が薄れる。また、０．１ｍｍより薄いと、温度振動の抑制効果が小さい。蓄冷式冷凍機の温度振動を、ＦＲＰ薄板６１を取り付けるだけの簡単な構成で低減させることができ、蓄冷式冷凍機の冷却温度を安定化させることができる。そのため、冷却温度を一定に保つ必要がある被冷却物７０の冷却や、被冷却物７０の精確な温度制御が可能になり、蓄冷式冷凍機の用途が拡大される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒ガスの圧縮、膨張を繰り返して、冷却ステージを極低温に冷却する蓄冷式冷凍機であって、
前記冷却ステージに厚さが０．１ｍｍ〜１ｍｍの繊維強化プラスチック製の薄板を取り付けたことを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項２】
請求項１に記載の蓄冷式冷凍機であって、前記冷却ステージからの伝導温度を温度制御する温度制御手段を備えることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項３】
請求項２に記載の蓄冷式冷凍機であって、前記温度制御手段が、前記冷却ステージからの伝導温度をＰＩＤ制御することを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項４】
請求項２または３に記載の蓄冷式冷凍機であって、前記冷却ステージが、前記薄板を介して、第１のヒータを内蔵した第１の熱伝導体に接続し、前記温度制御手段が、前記第１のヒータの発熱を温度制御することを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項５】
請求項４に記載の蓄冷式冷凍機であって、前記第１の熱伝導体が、さらに、試料ステージに接続し、該試料ステージが、厚さが０．１ｍｍ〜１ｍｍの繊維強化プラスチック製の薄板を介して、第２のヒータを内蔵した第２の熱伝導体に接続し、前記温度制御手段が、前記第１のヒータ及び第２のヒータの発熱を温度制御することを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の蓄冷式冷凍機であって、前記冷媒ガスが、ヘリウムガスであることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の蓄冷式冷凍機であって、前記冷凍機がＧＭ冷凍機であることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の蓄冷式冷凍機であって、希釈冷凍機に熱接触して該希釈冷凍機の冷媒を冷却することを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項９】
冷媒ガスの圧縮、膨張を繰り返して、冷却ステージを極低温に冷却する蓄冷式冷凍機での冷却方法であって、
前記冷却ステージに厚さが０．１ｍｍ〜１ｍｍの繊維強化プラスチック製の薄板を取り付け、前記冷却ステージからの伝導温度を温度制御しながら冷却することを特徴とする冷却方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の冷却方法であって、前記冷却ステージからの伝導温度をＰＩＤ制御しながら冷却することを特徴とする冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ギフォード・マクマホン冷凍機（ＧＭ冷凍機）などの蓄冷式冷凍機と、それを用いた冷却方法に関し、冷却温度の安定化を実現するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＧＭ冷凍機は、コンプレッサを用いてヘリウムガスの圧縮・膨張を繰り返すことにより冷却する冷凍機であり、４Ｋ（ケルビン）レベルの極低温まで冷やすことができる。この冷凍機は、液体窒素や液体ヘリウムなどを使用する装置に比べて、コスト的にも維持管理の面でも負担が軽く、そのため、ＭＲＩやリニアモーターカー等の超伝導材料の冷却に広く用いられている。【０００３】
図１１は、下記特許文献１に記載されたＧＭ冷凍機を示している。この冷凍機は、真空容器１の中に大部分が配置されるコールドヘッド２と、室温雰囲気３中に配置されるガス供給系４とで構成されている。コールドヘッド２は、大径シリンダ１３及び小径シリンダ１４と、大径シリンダ１３内を往復動する第１ディスプレーサ１６と、小径シリンダ１４内を往復動する第２ディスプレーサ１８と、第１ディスプレーサ１６及び第２ディスプレーサ１８の往復動の駆動源であるモータ２９とを備えている。真空容器１内には、大径シリンダ１３及び小径シリンダ１４が配置される。【０００４】
第１ディスプレーサ１６の内部には、第１段の蓄冷器を構成するための流体通路２２が形成されており、この流体通路２２には例えば銅で作られたメッシュ構造の蓄冷材２３が収容されている。同様に、第２ディスプレーサ１８の内部には、第２段（最終段）の蓄冷器を構成するための流体通路２４が形成されており、この流体通路２４にはＥｒ3Ｎｉ等の粒状の磁性蓄冷材２５が収容されている。４１は、超電導コイルなどの被冷却物である。
また、ガス供給系４は、排気バルブ３４を介して吸い込んだヘリウムガスを圧縮するコンプレッサ３５を有し、圧縮されたヘリウムガスが吸気バルブ３３からコールドヘッド２に供給され、その過程で熱交換器４２により冷却される。
この冷凍機では、モータ２９が回転すると、ディスプレーサ１２（第１ディスプレーサ１６＋第２ディスプレーサ１８）が例えば１秒間に１回の割合で下死点（最上点）と上死点（最下点）との間を往復動し、この往復動に連動して排気バルブ３４及び吸気バルブ３３の開閉が制御される。【０００５】
コンプレッサ３５が駆動している状態でディスプレーサ１２が上死点に至ると、吸気バルブ３３が開き（排気バルブ３４は閉じた状態）、圧縮されたヘリウムガスがコールドヘッド２に流入する。ディスプレーサ１２の下死点側への移動時には、吸気バルブ３３が閉じる。この下死点側への移動中に、高圧のヘリウムガスは、第１ディスプレーサ１６の流体通路２２を通って（蓄冷材２３に触れながら）第１段膨張室１５へ、また、第２ディスプレーサ１８の流体通路２４を通って（磁性蓄冷材２５に触れながら）第２段膨張室１７へ流れる。
ディスプレーサ１２が下死点に達すると、排気バルブ３４が開く。そのため、第１段膨張室１５及び第２段膨張室１７の圧力が急激に低下し、ヘリウムガスが断熱膨張して温度が下がり、第１段ステージ３１及び第２段ステージ３２が冷却される。
ディスプレーサ１２が再び上死点へと移動すると、これに伴って第１段膨張室１５内及び第２段膨張室１７内の容積が小さくなるので、低温のヘリウムガスが流体通路２２、２４内を通過し、この通過の際に蓄冷材２３、２５を冷却する。温度の上昇したヘリウムガスは、排気バルブ３４を介してコンプレッサ３５へ排出される。
このサイクルが繰り返され、やがて第１段ステージ３１が４０Ｋ程度に、また、第２段ステージ３２が４．２Ｋ程度に冷却される。【０００６】
ところで、４．２Ｋ前後の極低温領域では、金属の熱伝導率が室温に比較して非常に高くなる。そのため、ディスプレーサの１サイクルの動きに応じて、第２段ステージ３２の温度が大きく変動する。
図１２は、ＧＭ冷凍機を備える低温度測定装置により、ＧＭ冷凍機の第２段ステージの温度変化を測定した結果を示している。この低温度測定装置は、図１３に示すように、ＧＭ冷凍機の第２段ステージ３２の温度を補正するメインヒータ５１が組み込まれた伝熱部材５３と、サブヒータ５２が組み込まれた試料ステージ５５とを備えており、メインヒータ５１の調節で大まかな温度補正が行われ、サブヒータ５２により試料５４の温度が細かく調整される。このＧＭ冷凍機のシリンダ、伝熱部材５３及び試料ステージ５５は、対流による熱の伝達を防ぐために、真空容器内に配置される。【０００７】
図１２は、第２段ステージ３２の温度が設定温度（３．８Ｋ）に一致するようにメインヒータ５１をＰＩＤ制御（Ｐ：比例制御、Ｉ：積分制御、Ｄ：微分制御）しながら第２段ステージ３２の温度を測定した結果を示している。縦軸は第２段ステージ３２の設定温度からの変位量（Ｋ）を表し、横軸は時間（ｓｅｃ）を表している。第２段ステージ３２の温度は、メインヒータ５１のＰＩＤ制御にも関わらず、ヘリウムガスの圧縮・膨張のサイクルと一致する周期で振動している。
こうした温度振動は、冷却温度を一定に保つ必要がある被冷却物の冷却や、被冷却物の精確な温度制御を必要とする場合に障害となる。【０００８】
この温度振動を小さくするために、冷却ステージと被冷却物との間に、熱伝導の悪い材料を介装して冷却する方法があるが、熱伝達損失が大きい等の欠点がある（下記特許文献２、段落０００４）。
また、図１４に示すように、冷媒の凝縮器４５をＧＭ冷凍機に付加して、ＧＭ冷凍機の温度振動を抑制することも行われている（下記特許文献３）。
この冷凍機は、コールドヘッドの大径シリンダ１３及び小径シリンダ１４が真空容器１の中に配置され、小径シリンダ１４の下に第１段ステージ３１が設けられ、第１段ステージ３１の下部に、冷媒凝縮部４６、筒４７、冷媒蒸発部４８からなる凝縮器４５が配置されている。凝縮器４５の内部空間にはヘリウムなどの冷媒（冷媒Ａとする。）が封入されている。また、凝縮器４５の下部には第２段ステージ３２が配置され、被冷却物は、第２段ステージ３２に接続配置される。【０００９】
この冷凍機では、第１段ステージ３１が温度振動中に冷媒Ａの沸点よりも低い温度になると、冷媒Ａは、冷媒凝縮部４６を介して第１段ステージ３１と熱交換して液化する。液化した冷媒Ａは、筒４７内を通って冷媒蒸発部４８に落下し、落下した液化冷媒Ａは、冷媒蒸発部４８を介して第２段ステージ３２を冷却して蒸発する。
一方、第１段ステージ３１の温度振動中の温度が冷媒Ａの沸点よりも高い場合は、冷媒Ａの液化が生じない。そのため、第１段ステージ３１から第２段ステージ３２への熱侵入は、凝縮器４５内に封入された冷媒Ａのガス相及び筒４７を介したものとなり、その熱侵入量は非常に小さくなる。
従って、第２段ステージ３２の温度振幅は、第１段ステージ３１の温度振幅の内、冷媒Ａの沸点以下の範囲に抑制される。
この凝縮器を用いる温度振動の抑制方法は、ＧＭ冷凍機だけでなく、冷媒ガスの圧縮・膨張を繰り返すスターリング冷凍機やパルス管冷凍機等の蓄冷式冷凍機にも適用可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−２５７７６９号公報
【特許文献２】特開２００４−７６９５５号公報
【特許文献３】特開２００８−２２４０６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、特許文献３に記載された温度振動の抑制方式は、複雑な構造の凝縮器を蓄冷式冷凍機に組み込む必要があるため、コストが掛かり、凝縮器の調整にも手間が掛かる。
また、この抑制方式では、温度振動の温度振幅が冷媒Ａの沸点以下の温度範囲に含まれる場合は、原理的に、その温度振幅を抑制することができないため、蓄冷式冷凍機の冷却温度を高精度に制御することは不可能である。【００１２】
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、簡単な構成で、安定した冷却温度を実現できる蓄冷式冷凍機を提供し、また、それを用いた冷却方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、冷媒ガスの圧縮、膨張を繰り返して、冷却ステージを極低温に冷却する蓄冷式冷凍機であって、前記冷却ステージに厚さが０．１ｍｍ〜１ｍｍの繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製の薄板を取り付けたことを特徴とする。
この厚さのＦＲＰ薄板が、冷却ステージの温度振動を抑制する。ＦＲＰ薄板の厚さが１ｍｍを超えると、熱伝達損失が大きくなり、冷却効果が薄れる。また、０．１ｍｍより薄いと、温度振動の抑制効果が小さい。【００１４】
また、本発明の蓄冷式冷凍機では、前記冷却ステージからの伝導温度を温度制御する温度制御手段を備える。
０．１ｍｍ〜１ｍｍのＦＲＰ薄板を取り付けた冷却ステージの冷却温度を温度制御することで、冷却ステージの温度振動が飛躍的に抑制できる。【００１５】
また、本発明の蓄冷式冷凍機では、前記温度制御手段が、前記冷却ステージからの伝導温度をＰＩＤ制御することが望ましい。
精密な温度制御が可能なＰＩＤ制御を行うことで、冷却ステージの温度振動を飛躍的に抑制することができる。【００１６】
また、本発明の蓄冷式冷凍機では、前記冷却ステージを、前記薄板を介して、第１のヒータを内蔵した第１の熱伝導体に接続し、前記温度制御手段が、前記第１のヒータの発熱を温度制御するように構成することができる。
冷やす機能しか持たない蓄冷式冷凍機の冷却温度を、ヒータの熱で制御することができる。【００１７】
また、本発明の蓄冷式冷凍機では、前記第１の熱伝導体を、さらに、試料ステージに接続し、該試料ステージを、厚さが０．１ｍｍ〜１ｍｍのＦＲＰ製の薄板を介して、第２のヒータを内蔵した第２の熱伝導体に接続し、前記温度制御手段が、前記第１のヒータ及び第２のヒータの発熱を温度制御するように構成しても良い。
第１のヒータ及び第２のヒータを用いることで、冷却ステージの冷却温度を精密に温度制御することができる。【００１８】
また、本発明の蓄冷式冷凍機では、前記冷媒ガスとして、ヘリウムガスを用いることが望ましい。【００１９】
また、本発明の蓄冷式冷凍機として、ＧＭ冷凍機を用いることができる。
ＧＭ冷凍機では、ヘリウムガスの圧縮、膨張を繰り返して、液体ヘリウムの温度（４．２Ｋ）以下に冷却することができる。【００２０】
また、本発明の蓄冷式冷凍機は、希釈冷凍機に熱接触して該希釈冷凍機の冷媒を冷却するように構成しても良い。
蓄冷式冷凍機と組み合わせた希釈冷凍機は、１０ｍＫ程度の極低温が実現できる。蓄冷式冷凍機と希釈冷凍機とをつなぐ間にＦＲＰを入れ、温度制御を行うことによって、蓄冷式冷凍機に起因する温度振動が希釈冷凍機の冷却温度に与える影響を防ぐことができる。【００２１】
また、本発明は、冷媒ガスの圧縮、膨張を繰り返して、冷却ステージを極低温に冷却する蓄冷式冷凍機での冷却方法であって、前記冷却ステージに厚さが０．１ｍｍ〜１ｍｍのＦＲＰ製の薄板を取り付け、前記冷却ステージからの伝導温度を温度制御しながら冷却することを特徴とする。
こうすることで、冷却ステージの温度振動を抑えて、冷却温度を高精度に設定することができる。【００２２】
また、本発明の冷却方法では、前記冷却ステージからの伝導温度をＰＩＤ制御しながら冷却することが望ましい。
精密な温度制御が可能なＰＩＤ制御を行うことで、冷却ステージの温度振動を飛躍的に抑制することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明により、ＦＲＰ薄板を取り付ける簡単な構成で、蓄冷式冷凍機の温度振動を飛躍的に低減させることができ、蓄冷式冷凍機の冷却温度を安定化させることができる。
そのため、冷却温度を一定に保つ必要がある被冷却物の冷却や、被冷却物の精確な温度制御が可能になり、蓄冷式冷凍機の用途が拡大される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係るＧＭ冷凍機を示す図
【図２】本発明の実施形態に係るＧＭ冷凍機を備える低温度測定装置を示す図
【図３】図２の装置で用いたＦＲＰ薄板の平面図
【図４】図２の装置で測定した第２段ステージの温度振動の測定結果を示す図
【図５】図２の装置で測定した試料ステージの温度振動の測定結果を示す図
【図６】本発明の実施形態に係る二つのＦＲＰ薄板を備える低温度測定装置を示す図
【図７】図６の装置で測定した試料ステージの温度振動の測定結果を示す図
【図８】図７の測定結果に基づいて試料ステージの温度分布を表した図
【図９】図７の測定結果に基づいて試料ステージの温度振幅及び標準偏差を表した図
【図１０】４．２Ｋ〜３００Ｋでの試料温度の分散σ及びσ／Ｔを測定した結果を示す図
【図１１】従来のＧＭ冷凍機を示す図
【図１２】ＧＭ冷凍機の温度振動を示す図
【図１３】ＧＭ冷凍機を備える低温度測定装置を示す図
【図１４】温度振動の抑制機構を備えた従来のＧＭ冷凍機を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、本発明の実施形態に係るＧＭ冷凍機を模式的に示している。この冷凍機は、温度が４．２Ｋ程度に低下する第２段ステージ３２にＦＲＰ薄板６１を取り付けて被冷却物７０に対向させている。被冷却物７０は、真空容器（不図示）内で、ＦＲＰ薄板６１が取り付けられた第２段ステージ３２に対向する。
ＦＲＰ薄板６１は、フェノール樹脂や不飽和ポリエステル樹脂などの熱可塑性樹脂、あるいはフッ素樹脂などを母材とし、これをガラス繊維で強化したＧＦＲＰ、炭素繊維で強化したＣＦＲＰ、アラミド繊維で強化したＡＦＲＰなどを用いて形成される。これらのＦＲＰは、機械的強度が強く、極低温でも脆くならない。
このＦＲＰ薄板６１を第２段ステージ３２に取り付けると、被冷却物７０に作用する第２段ステージ３２の温度振動が抑制される。
しかし、ＦＲＰは、熱絶縁物であるため、薄板６１の厚さが厚くなると、被冷却物７０への冷却効果が薄れる。
【００２６】
そこで、ＦＲＰ薄板６１の適切な厚さを求めるため、図１３の低温度測定装置を用いてＦＲＰ薄板６１の厚さと温度振動との関係を測定した。
まず、図２に示すように、ＧＭ冷凍機の第２段ステージ３２と、メインヒータ５１（特許請求の範囲で言う「第１のヒータ」）が組み込まれた伝熱部材５３（特許請求の範囲で言う「第１の熱伝導体」）との間にＦＲＰ薄板６１を取り付け、メインヒータ５１をＰＩＤ制御しながら第２段ステージ３２の温度変化を測定した。
ＦＲＰ薄板６１は、図３に示す平面形状を有し、厚さが０．５ｍｍ及び１ｍｍのものを使用した。０．５ｍｍ厚のＦＲＰ薄板６１を第２段ステージ３２に取り付けたときは、３．８Ｋを設定温度としてメインヒータ５１をＰＩＤ制御し、１ｍｍ厚のＦＲＰ薄板６１を第２段ステージ３２に取り付けたときは、３．９５Ｋを設定温度としてメインヒータ５１をＰＩＤ制御した。
【００２７】
図４は、その測定結果を図１２の測定結果（ＦＲＰ薄板６１が無いときの測定結果）に重ねて表示している（（１）はＦＲＰ薄板が無い場合、（２）はＦＲＰ薄板が０．５ｍｍ厚の場合、（３）はＦＲＰ薄板が１ｍｍ厚の場合）。図４から明らかなように、ＦＲＰ薄板６１を取り付けて冷却温度をＰＩＤ制御すると、第２段ステージ３２の温度振動が飛躍的に抑制される。
なお、図５は、試料５４における温度変化を、図２の状態（第２段ステージ３２と伝熱部材５３との間にＦＲＰ薄板６１を取り付けた状態）で測定した結果と、ＦＲＰ薄板６１が無い状態で測定した結果とを示している。図５からは、試料５４が受ける温度変化に関して、ＦＲＰ薄板６１の効果が窺えない。
【００２８】
この試料５４の温度変化は、図６に示すように、サブヒータ５２（特許請求の範囲で言う「第２のヒータ」）を内蔵する伝熱部材５６（特許請求の範囲で言う「第２の熱伝導体」）と試料ステージ５５との間に新たなＦＲＰ薄板６２を置くことで抑制できる。
図７は、第２段ステージ３２と伝熱部材５３との間に０．５ｍｍ厚のＦＲＰ薄板６１を取り付け、また、サブヒータ５２と試料ステージ５５との間に０．７８ｍｍまたは０．９６ｍｍの厚さのＦＲＰ薄板６２を配置して（または、ＦＲＰ薄板６２を配置せずに）試料５４の温度変化を測定した結果について示している（（１）はＦＲＰ薄板６２が無い場合、（２）はＦＲＰ薄板６２が０．７８ｍｍ厚の場合、（３）はＦＲＰ薄板６２が０．９６ｍｍ厚の場合）。このとき、メインヒータ５１は、第２段ステージ３２の設定温度を３．８ＫとしてＰＩＤ制御し、サブヒータ５２は、試料５４の設定温度を４．２ＫとしてＰＩＤ制御している。
【００２９】
図７から明らかなように、サブヒータ５２と試料ステージ５５との間にＦＲＰ薄板６２を配置してＰＩＤ制御することにより、試料５４の温度変化が抑制できる。
図８は、このときの試料５４における温度分布を示し、また、図９は、図８から求めた標準偏差（１）及び温度振幅（２）を示している。ＦＲＰ薄板６２の厚さが０．７８ｍｍ及び０．９６ｍｍの場合、温度分布の中心値は設定温度４．２Ｋに一致している（図８）。また、温度分布の標準偏差は、０．９６ｍｍ厚さよりも０．７８ｍｍ厚さの方が小さく、また、０．７８ｍｍ厚さの場合は、温度振幅が±０．５ｍＫ程度と小さい。
一方、ＦＲＰ薄板６２が無い場合は、温度分布の中心値が設定温度からずれており、標準偏差も大きい。
このように、この低温度測定装置では、ＦＲＰ薄板６２の厚さを０．７８ｍｍに設定した場合に、最も良い結果が得られている。
【００３０】
また、図１０は、ＦＲＰ薄板６２の厚さを０．７８ｍｍに設定し、４．２Ｋから３００Ｋに渡って、試料５４の温度の分散値σ（実線１）と、σ／Ｔ（点線２）とを測定した結果を示している。４．２Ｋ〜３００Ｋの温度範囲でσ及びσ／Ｔは小さく、冷却温度が安定していることが分かる。
ＦＲＰ薄板６１、６２の厚さは、１ｍｍを超えると、熱伝達損失が大きくなり、冷却効果が薄れるので好ましくない。また、その厚さが薄くなる程、熱伝達損失は減少するが、あまり薄くなると、温度振動の抑制効果が小さくなるため、０．１ｍｍ以上の厚さに設定することが望ましい。
【００３１】
このように、ＧＭ冷凍機では、４Ｋ近傍の極低温に達すると、熱伝導率が上昇し、冷媒ガスの圧縮・膨張のサイクルに連動する温度振動が発生するが、この温度振動は、ＧＭ冷凍機の冷却ステージに０．１ｍｍ〜１ｍｍのＦＲＰ薄板を付加することで抑えられ、さらに、冷却温度をＰＩＤ制御することで飛躍的に抑制できる。
図１のＧＭ冷凍機において、冷却温度をＰＩＤ制御する場合は、図２のメインヒータ５１が組み込まれた伝熱部材５３を図１の装置のＦＲＰ薄板６１に接続し、メインヒータ５１の発熱をＰＩＤ制御することで実現できる。
【００３２】
また、図６の低温度測定装置のように、ＧＭ冷凍機の冷却ステージ３２から被冷却物（試料５４）までの中間に伝熱部材（試料ステージ５５）が介在する場合は、伝熱部材と被冷却物との間にもＦＲＰ薄板６２とサブヒータ５２とを配置し、メインヒータ５１とともにサブヒータ５２のＰＩＤ制御を行うことにより、被冷却物に作用する温度振動を飛躍的に抑えることができる。
このＦＲＰ薄板を用いる温度振動の抑制方式は、コストが掛からず、複雑な機構が不要であり、簡便に実施できる。しかも、温度振動の抑制効果は甚だ大きい。
【００３３】
また、ＧＭ冷凍機は、例えば、特開２００１−３０４７０９号公報に記載されているように、希釈冷凍機の冷媒を予冷するためにも用いられている。
希釈冷凍機は、ヘリウムの同位体である3Ｈｅと4Ｈｅとを冷媒に用い、3Ｈｅと4Ｈｅとの飽和蒸気圧の差を利用して4Ｈｅ−3Ｈｅの混合液から3Ｈｅを選択的に蒸発させ、凝縮させる。この処理を繰り返すことで１０ｍＫ程度まで冷却することができる。
１Ｋ以下の温度では物質自体の熱伝導率が殆ど０に近づくため、希釈冷凍機自体の冷却に伴う温度振動は生じないが、２〜４Ｋあたりの温度を作っているＧＭ冷凍機の温度振動が希釈冷凍機の冷却温度に影響する場合もある。このため、ＧＭ冷凍機と希釈冷凍機とをつなぐ間にＦＲＰを入れ、温度制御を行うことによってＧＭ冷凍機の温度振動による影響を防ぐことが可能になる。
【００３４】
なお、ここでは、ヘリウムガスを冷媒に用いる場合について説明したが、冷媒ガスは、圧縮・膨張の繰り返しにより、４Ｋ近傍の極低温に到達できるガスであれば、ヘリウムガス以外であっても良い。
また、ここでは、温度をＰＩＤ制御する場合について説明したが、ループ制御など、他の方式で温度を制御してもよい。ただ、ＰＩＤ制御の方がより精密な温度制御ができるので、ＰＩＤ制御により温度を制御することが望ましい。
また、ここでは、２段の冷却ステージを有するＧＭ冷凍機を例に説明したが、本発明は、３段以上の冷却ステージを備える機種にも、また、１段の機種にも適用できる。
また、ここではＧＭ冷凍機について説明したが、本発明は、冷媒ガスの圧縮・膨張を繰り返すスターリング冷凍機やパルス管冷凍機等の蓄冷式冷凍機にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、ＧＭ冷凍機や、スターリング冷凍機、パルス管冷凍機等の蓄冷式冷凍機に発生する温度振動を抑制することができ、こうした蓄冷式冷凍機の製造分野や、それを使用するＭＲＩ、リニアモーターカー、超伝導装置、低温度測定装置などの各分野において、広く利用することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１    真空容器
２    コールドヘッド
３    室温雰囲気
４    ガス供給系
１２  ディスプレーサ
１３  大径シリンダ
１４  小径シリンダ
１５  第１段膨張室
１６  第１ディスプレーサ
１７  第２段膨張室
１８  第２ディスプレーサ
２２  流体通路
２３  蓄冷材
２４  流体通路
２５  磁性蓄冷材
２９  モータ
３１  第１段ステージ
３２  第２段ステージ
３３  吸気バルブ
３４  排気バルブ
３５  コンプレッサ
４１  被冷却物
４２  熱交換器
４５  凝縮器
４６  冷媒凝縮部
４７  筒
４８  冷媒蒸発部
５１  メインヒータ
５２  サブヒータ
５３  伝熱部材
５４  試料
５５  試料ステージ
５６  伝熱部材
６１  ＦＲＰ薄板
６２  ＦＲＰ薄板
７０  被冷却物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2011089768.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年4月6日(2011.4.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒ガスの圧縮、膨張を繰り返して、冷却ステージを極低温に冷却する蓄冷式冷凍機であって、
前記冷却ステージに取り付けた、厚さが０．１ｍｍ〜１ｍｍの繊維強化プラスチック製の薄板と、
前記薄板を介して前記冷却ステージに接続する第１の熱伝導体と、
前記第１の熱伝導体に内蔵された第１のヒータと、
前記熱伝導体の温度が設定温度になるように前記第１のヒータの発熱を制御する温度制御手段と、
を備えることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
請求項１に記載の蓄冷式冷凍機であって、前記温度制御手段が、前記第１のヒータの発熱をＰＩＤ制御することを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
請求項１に記載の蓄冷式冷凍機であって、前記第１の熱伝導体が、さらに、試料ステージに接続し、該試料ステージが、厚さが０．１ｍｍ〜１ｍｍの繊維強化プラスチック製の薄板を介して、第２のヒータを内蔵した第２の熱伝導体に接続し、前記温度制御手段が、前記第１のヒータ及び第２のヒータの発熱を温度制御することを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の蓄冷式冷凍機であって、前記冷媒ガスが、ヘリウムガスであることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の蓄冷式冷凍機であって、前記冷凍機がＧＭ冷凍機であることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の蓄冷式冷凍機であって、希釈冷凍機に熱接触して該希釈冷凍機の冷媒を冷却することを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【手続補正書】
【提出日】平成23年12月14日(2011.12.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒ガスの圧縮、膨張を繰り返して、冷却ステージを極低温に冷却する蓄冷式冷凍機であって、
前記冷却ステージに取り付けた、厚さが０．１ｍｍ〜１ｍｍの繊維強化プラスチック製の薄板と、
前記薄板を介して前記冷却ステージに接続する第１の熱伝導体と、
前記第１の熱伝導体に内蔵された第１のヒータと、
前記熱伝導体の温度が設定温度になるように前記第１のヒータの発熱を制御する温度制御手段と、
を備えることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項２】
請求項１に記載の蓄冷式冷凍機であって、前記温度制御手段が、前記第１のヒータの発熱をＰＩＤ制御することを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項３】
請求項１または２に記載の蓄冷式冷凍機であって、前記第１の熱伝導体が、さらに、試料ステージに接続し、該試料ステージが、厚さが０．１ｍｍ〜１ｍｍの繊維強化プラスチック製の薄板を介して、第２のヒータを内蔵した第２の熱伝導体に接続し、前記温度制御手段が、前記第１のヒータ及び第２のヒータの発熱を温度制御することを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の蓄冷式冷凍機であって、前記冷媒ガスが、ヘリウムガスであることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の蓄冷式冷凍機であって、前記冷凍機がＧＭ冷凍機であることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の蓄冷式冷凍機であって、希釈冷凍機に熱接触して該希釈冷凍機の冷媒を冷却することを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【国際調査報告】
2011089768.tif 000017
2011089768.tif 000018
2011089768.tif 000019
2011089768.tif 000020